Un probabile fattore precoce della malattia di Alzheimer è l'accumulo di molecole chiamate peptidi amiloidi. Questi causano la morte cellulare e si trovano comunemente nel cervello dei pazienti affetti da Alzheimer. I ricercatori della Chalmers University of Technology, in Svezia, hanno ora dimostrato che le cellule di lievito che accumulano questi peptidi amiloidi mal ripiegati possono riprendersi dopo essere state trattate con nanofiocchi di ossido di grafene.
Proteine e peptidi sono fondamentalmente lo stesso tipo di molecola e sono costituiti da aminoacidi. Le molecole peptidiche sono più piccole, in genere contengono meno di 50 aminoacidi, e hanno una struttura meno complicata. Sia le proteine che i peptidi possono deformarsi se si piegano in modo sbagliato durante la formazione nella cellula. Quando molti peptidi di beta-amiloide si accumulano nel cervello, gli aggregati vengono classificati come proteine.
La malattia di Alzheimer è una malattia incurabile del cervello, che porta alla demenza e alla morte, causando sofferenza sia ai pazienti che alle loro famiglie. Si stima che più di 40 milioni di persone in tutto il mondo convivano con questa malattia o con una forma correlata di demenza. Secondo Alzheimer's News Today, il costo globale stimato di queste malattie è pari all'1% del prodotto interno lordo globale.
Si ritiene che i peptidi di beta-amiloide mal ripiegati, i peptidi Aβ, che si accumulano e si aggregano nel cervello, siano la causa alla base della malattia di Alzheimer. Essi innescano una serie di processi dannosi nei neuroni (cellule cerebrali), causando la perdita di molte funzioni cellulari vitali o la morte cellulare e quindi una perdita della funzione cerebrale nell’area interessata. Ad oggi non esistono strategie efficaci per trattare l'accumulo di amiloide nel cervello.
I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno ora dimostrato che il trattamento con ossido di grafene porta a livelli ridotti di peptidi amiloidi aggregati in un modello di cellule di lievito. La ricerca è pubblicata sulla rivista Advanced Functional Materials .
"Questo effetto dell'ossido di grafene è stato recentemente dimostrato anche da altri ricercatori, ma non nelle cellule di lievito", afferma Xin Chen, ricercatore in biologia dei sistemi presso Chalmers e primo autore dello studio. "Il nostro studio spiega anche il meccanismo alla base di questo effetto. L'ossido di grafene influenza il metabolismo delle cellule, in un modo che aumenta la loro resistenza alle proteine mal ripiegate e allo stress ossidativo. Questo non è stato riportato in precedenza."
Nella malattia di Alzheimer, gli aggregati amiloidi esercitano i loro effetti neurotossici causando vari disturbi metabolici cellulari, come lo stress nel reticolo endoplasmatico, una parte importante della cellula, in cui vengono prodotte molte delle sue proteine. Ciò può ridurre la capacità delle cellule di gestire proteine mal ripiegate e di conseguenza aumentare l'accumulo di queste proteine.
Gli aggregati influenzano anche la funzione dei mitocondri, le centrali elettriche delle cellule. Pertanto, i neuroni sono esposti ad un aumento dello stress ossidativo (molecole reattive chiamate radicali dell’ossigeno, che danneggiano altre molecole); qualcosa a cui le cellule cerebrali sono particolarmente sensibili.
I ricercatori Chalmers hanno condotto lo studio combinando analisi proteiche (proteomica) ed esperimenti di follow-up. Hanno utilizzato il lievito di birra, Saccharomyces cerevisiae, come modello in vivo per le cellule umane. Entrambi i tipi di cellule hanno sistemi molto simili per il controllo della qualità delle proteine. Questo modello di cellule di lievito era stato precedentemente creato dal gruppo di ricerca per imitare i neuroni umani affetti dal morbo di Alzheimer.
"Le cellule di lievito nel nostro modello assomigliano ai neuroni colpiti dall'accumulo di beta-amiloide42, che è la forma di peptide amiloide più incline alla formazione di aggregati", afferma Xin Chen. "Queste cellule invecchiano più velocemente del normale, mostrano stress nel reticolo endoplasmatico e disfunzione mitocondriale e hanno un'elevata produzione di radicali reattivi dannosi dell'ossigeno."
I nanofiocchi di ossido di grafene sono nanomateriali di carbonio bidimensionali con proprietà uniche, tra cui eccezionale conduttività ed elevata biocompatibilità. Sono ampiamente utilizzati in vari progetti di ricerca, compreso lo sviluppo di trattamenti contro il cancro, sistemi di somministrazione di farmaci e biosensori.
I nanofiocchi sono idrofili (solubili in acqua) e interagiscono bene con biomolecole come le proteine. Quando l'ossido di grafene entra nelle cellule viventi, è in grado di interferire con i processi di autoassemblaggio delle proteine.
"Di conseguenza, può ostacolare la formazione di aggregati proteici e promuovere la disintegrazione degli aggregati esistenti", afferma Santosh Pandit, ricercatore in biologia dei sistemi presso Chalmers e coautore dello studio. "Crediamo che i nanofiocchi agiscano attraverso due percorsi indipendenti per mitigare gli effetti tossici dell'amiloide-beta42 nelle cellule di lievito."
In un percorso, l’ossido di grafene agisce direttamente per prevenire l’accumulo di amiloide-beta42. Nell’altro, l’ossido di grafene agisce indirettamente mediante un meccanismo (attualmente sconosciuto), in cui vengono attivati geni specifici per la risposta allo stress. Ciò aumenta la capacità della cellula di gestire le proteine mal ripiegate e lo stress ossidativo.
Come curare i malati di Alzheimer è ancora una questione per il futuro. Tuttavia, secondo il gruppo di ricerca di Chalmers, l'ossido di grafene ha un grande potenziale per la ricerca futura nel campo delle malattie neurodegenerative. Il gruppo di ricerca è già riuscito a dimostrare che il trattamento con ossido di grafene riduce anche gli effetti tossici degli aggregati proteici specifici della malattia di Huntington in un modello di lievito.
"Il prossimo passo è indagare se sia possibile sviluppare un sistema di somministrazione di farmaci basato sull'ossido di grafene per il morbo di Alzheimer". dice Xin Chen. "Vogliamo anche verificare se l'ossido di grafene ha effetti benefici in ulteriori modelli di malattie neurodegenerative, come il morbo di Parkinson."
Ulteriori informazioni: Xin Chen et al, L'ossido di grafene attenua la tossicità degli aggregati di amiloide-β nel lievito promuovendo il disassemblaggio e aumentando la risposta allo stress cellulare, Materiali funzionali avanzati (2023). DOI:10.1002/adfm.202304053
Informazioni sul giornale: Materiali funzionali avanzati
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